CN110233337A

CN110233337A - 一种双频小型化背腔天线设计方法

Info

Publication number: CN110233337A
Application number: CN201910430036.6A
Authority: CN
Inventors: 张天良; 傅子豪; 吴天海; 蓝友; 蒋迪
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2019-05-22
Filing date: 2019-05-22
Publication date: 2019-09-13

Abstract

本发明公开了一种双频小型化背腔天线设计方法，包括：在基板上刻蚀基片集成波导矩形谐振腔，将波导矩形谐振腔顶部覆铜层刻蚀为一阶矩形分形缝隙结构，其中，一阶矩形分形缝隙结构由一个主贴片，四个设置在主贴片上的分形贴片，以及四周的金属化通孔形成的电壁和底部金属地组成；对一阶矩形分形缝隙结构进行切分，得到四分之一模腔体；根据指标要求，调节四分之一模腔体的几何参数。本发明使用分形技术增加天线的辐射口径，使得谐振点向低频移动，实现小型化并激励起分形模式，并且通过切模技术将天线的平面尺寸进一步减小至原本的四分之一，不必要的分形模式由于切分处理后受到了抑制，使得天线在较宽的频率范围内仅有所需的两个正交模式分布。

Description

一种双频小型化背腔天线设计方法

技术领域

本发明涉及天线设计技术领域，尤其涉及一种双频小型化背腔天线设计方法。

背景技术

随着现代无线通信技术的发展，用户对天线性能的需求也随之提高。一方面，要求天线具有良好的辐射特性以支持空间无线通信；另一方面，用户也寻求一种节约成本的天线系统，即要求天线具有较小的尺寸，并且一部天线可以作为多个传统天线使用。随着微带技术的发展，许多传统类型的大尺寸天线被集成于低剖面的印制电路板中，减小了天线尺寸。基片集成波导是一种可以在介质基板中形成等效波导工作模式的电路结构，通过基板上下表面的覆铜层以及金属化通孔形成的等效电壁实现波导结构。由于基片集成波导具有极好的科研价值和发展前景，近年来被学者们所广泛研究。

背腔天线是一种腔体缝隙天线，具有高增益、高前后比的良好辐射特性。然而由于腔体的存在，传统背腔天线难以实现小型化。使用基片集成波导电路构成的背腔天线具有低剖面的优势。为进一步减小腔体平面尺寸，一般的小型化方案包括以下两种：第一，加载超材料单元。根据色散理论，当谐振结构处于特殊的谐振频率时，其色散效果可等效成为左手材料，加载与背腔天线上时可在比主模谐振频率低的频段激励起辐射模式，减小了天线的电尺寸，实现小型化。然而，超材料单元往往结构复杂，在谐振频段可能影响到天线的辐射效率和极化。第二，使用切模理论。根据腔模理论，当腔体工作与TE101模时，由于其横向、纵向中轴线可等效成理想磁壁，因此进行四分之一切模处理后电场的分布变为TE0.5,0,0.5模式，且谐振频率不变，进一步减小了腔体尺寸。因此，半模、四分之一模乃至八分之一模处理一直是腔体尺寸较小的重要手段。然而，由于模式分布的单一性，小型化背腔天线存在辐射极化的单一性，并且对辐射缝隙有了严格的限制，否则会破坏腔体电场分布影响模式激励。

双频天线可以在两个频段工作，因此可以通过一款天线替代传统工作于不同频段的两款天线。具有正交极化辐射的双频天线，即两个工作频段的辐射极化正交，可以提高两个频段之间的信道隔离度，使得不同频率的信号不会串扰，减轻了后端射频电路的负担。

传统的背腔天线具有高增益、高前后比的优势，然而由于谐振腔的存在，天线的结构尺寸大，剖面高。背腔天线经过分模处理后，由于其谐振模式的单一性难以实现多极化辐射。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种双频小型化背腔天线设计方法，使用分形技术增加天线的辐射口径，使得谐振点向低频移动，实现小型化并激励起分形模式，并且通过切模技术将天线的平面尺寸进一步减小至原本的四分之一，额外地，不必要的分形模式由于切分处理后受到了抑制，使得天线在较宽的频率范围内仅有所需的两个正交模式分布。

本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：

一种双频小型化背腔天线设计方法，包括如下步骤：

在基板上刻蚀基片集成波导矩形谐振腔，将波导矩形谐振腔顶部覆铜层刻蚀为一阶矩形分形缝隙结构，其中，所述一阶矩形分形缝隙结构由一个主贴片，四个设置在主贴片上的分形贴片，以及四周的金属化通孔形成的电壁和底部金属地组成；

对所述一阶矩形分形缝隙结构进行切分，得到四分之一模腔体；

根据指标要求，调节所述四分之一模腔体的几何参数。

进一步，所述指标要求包括双频工作频点、天线带宽和辐射效率。

进一步，所述主贴片和分形贴片均为方形，四个所述分形贴片分别位于主贴片的四个角上。

进一步，沿所述一阶矩形分形缝隙结构的横中心线和纵中心线进行切分，保留主贴片左下角四分之一部分、左下角分型贴片以及左下角金属化通孔部分，得到四分之一模腔体。

进一步，所述根据指标要求，调节所述四分之一模腔体的几何参数的具体步骤包括：

调节主贴片与分形贴片的距离和分型贴片的对角线长，以使天线的双频工作频点满足指标要求；

调节基板厚度，以使天线带宽和辐射效率满足指标要求。

进一步，使用一阶Minkowski分形缝隙将波导矩形谐振腔顶部覆铜层刻蚀为一阶矩形分形缝隙结构。

进一步，所述一阶矩形分形缝隙结构呈中心对称结构

本发明的有益效果：本发明结合分形思想与分模思想，一方面实现了其传统的小型化设计，另一方面通过激励起独特的分形模式并进行切分，激励起一组正交模式，并结合传统背腔天线高增益与高前后比的优势，实现了双频具有正交极化特性的小型化背腔辐射，弥补了传统小型化技术无法使天线具有较好的辐射特性以及多极化辐射的缺陷。

本发明通过结合分割模式理论与分形理论，实现了背腔天线小型化并具有双频正交极化辐射特性，并且天线具有较好的辐射特性。首先，通过在基片集成波导矩形腔上刻蚀分形缝隙，使得腔体激励独特的分形模式，并且分形缝隙增加了天线的辐射口径，使得谐振频率向低频移动，实现了小型化；进一步地，通过四分之一模式切分，将腔体尺寸进一步压缩至原来的四分之一，并且切分后对天线谐振模式产生影响，对不需要频段的模式进行了抑制；最终，腔体在10GHz以下仅有第二阶(模式A)、第三阶(模式B)两个正交模式保持激励，实现了双频正交线极化的辐射特性。由于天线采用先分形、再切模的步骤，保留模式的电场并未受到影响，因此天线具有较好的辐射特性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种双频小型化背腔天线设计方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的一阶矩形分形缝隙结构示意图；

图3是本发明实施例提供的对一阶矩形分形缝隙结构进行四分之一分模处理的示意图；

图4是本发明实施例提供的加载传统矩形缝隙与本发明加载分形缝隙的反射系数曲线对比图；

图5(a)-图(e)分别是本发明实施例提供的加载分形缝隙后矩形腔体的第1、2、3、4、5阶谐振模式电场分布；

图6是本发明实施例提供的四分之一模处理后的天线反射系数曲线；

图7(a)和图7(b)分别是本发明实施例提供的四分之一模处理后的A^QM、B^QM电场分布；

图8(a)和图8(b)分别是本发明实施例提供的四分之一模处理后的A^QM、B^QM谐振点随di、dj调节的变化曲线；

图9(a)和图9(b)是本发明实施例提供的天线E面在两个谐振频点的方向图；

图9(c)和图9(d)是本发明实施例提供的天线与H面在两个谐振频点的方向图。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明：

一种双频小型化背腔天线设计方法，包括如下步骤：

第一，应开展分形缝隙设计。在基板上刻蚀基片集成波导矩形谐振腔，为保证天线实现小型化，需对矩形腔进行分形缝隙刻蚀，使用一阶Minkowski分形缝隙将腔体顶部覆铜层刻蚀为一阶矩形分形缝隙结构，如图2所示。通过全波仿真软件观察分形腔体的前5～6阶模式的电场分布，找到中心部分不具有电壁存在的两个模式(模式A和模式B)。

不同于传统矩形缝隙，分形缝隙可以在一定的区域内获得更大的辐射口径，进而增加天线的谐振电长度。由于本发明基于矩形腔体设计，采用一阶Minkowski分形缝隙可使得腔体具有更对称的电场模式分布，如图2所示，一阶矩形分形缝隙结构由顶部具有1个主贴片和4个分形贴片，以及四周的金属化通孔形成的电壁和底部金属地组成。相较于传统矩形缝隙，分型缝隙的谐振频点更低。通过HFSS仿真得到的加载分型缝隙腔体S参数和加载分形缝隙腔体的S参数比较如图4所示，可以看出加载分型缝隙的矩形腔具有更低的谐振频率，因此具有更大的电长度，实现了小型化。图4中可以看出在9GHz以下频段，分型缝隙具有5个谐振频点，通过全波仿真软件HFSS可以观察到每个谐振频点的电场分布，如图5(a),5(b),5(c),5(d)和5(e)所示，分别为分形谐振腔的第1、2、3、4、5阶谐振点的电场分布。从图5可看出，模式A(第二阶谐振模式)与模式B(第三阶谐振模式)相较于其他几阶模式，在横纵中轴线处不存在等效电壁，且模式A主贴片部分可等效为准TE101波，因此中轴线可等效为两组磁壁；模式B由于主贴片电场分布较弱且四个分形贴片电场分布对称，因此可判断经过切模处理后其四分之一模式分布仍存在。

第二，开展分模处理设计。由于腔体通过矩形缝隙分形而来，因此腔体结构应为中心对称，此时只需在横轴、纵轴进行切分，仅保留左下或者右下部分即可，如图3所示。由于模式A与模式B电场分布中心对称，且轴线部分存在等效磁壁，因此经过切分处理后电场分布变为模式AQM和模式BQM。剩余几阶模式由于电壁位于轴线，切分后破坏了模式分布，因此将不会被激励。

经过如图3所示的四分之一分模处理后，仅保留原腔体的顶部的主贴片四分之一部分和左下角分型贴片，以及左下角金属化通孔部分，通过HFSS对四分之一模腔体进行仿真分析可看出除了模式A和模式B，其余模式由于切分破坏了等效电壁而激励受到了抑制，因此9GHz以下仅有模式AQM和模式BQM被激励，如图6所示。图7为模式AQM和模式BQM的电场分布，可以看出图7(a)和图7(b)的电场分布均很好的变为图5(b)和图5(c)原来的四分之一。此外，从图7中可看出二者的电场分布正交。

第三，开展参数优化设计。通过调谐分形贴片和主贴片的尺寸和中心间距，可调谐模式AQM和模式BQM的谐振电长度，从而影响两个模式的谐振频率，时期工作在用户需求的频段。进一步地，通过调谐基板厚度，谐振腔的品质因数Q也会随之变化，进而影响腔体模式激励和辐射参数。最终通过联合仿真优化，实现具有正交模式辐射特性的小型化双频背腔天线，并加工测试验证。

如图3所示，主贴片与分形贴片的距离dj和分型贴片的对角线长di分别影响了模式AQM和模式BQM的谐振电长度。如图8所示，为模式AQM和BQM的谐振频点随di与dj的长度变化曲线，可以看出di的长度增加时，模式AQM的谐振电长度增加，谐振频点向低频移动；类似地，增加dj的长度，模式BQM的谐振频点也向低频移动。因此，可根据用户需求通过调谐di与dj的长度控制腔体的两个谐振频点到达指定值。

经过软件优化，最终可得到用户需要的天线工作频点。天线模式AQM的辐射方向图如图9(a),9(b)所示，模式BQM的辐射方向图如图9(c),9(d)所示，由于模式AQM和模式BQM的电场分布正交，因此天线的两个工作频点分别呈现±45°的线极化。

通过仿真结果，该发明天线的尺寸可控制在0.26λ×0.26λ内，其中λ为谐振频率在自由空间中的波长，并且天线增益大于4dBi，交叉极化低于-15dB，天线前后比为12.5dB。如上文所说，天线在实现了小型化的前提下具有较好地双频正交极化辐射特性。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims

1.一种双频小型化背腔天线设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

根据指标要求，调节所述四分之一模腔体的几何参数。

2.根据权利要求1所述的一种双频小型化背腔天线设计方法，其特征在于，所述指标要求包括双频工作频点、天线带宽和辐射效率。

3.根据权利要求2所述的一种双频小型化背腔天线设计方法，其特征在于，所述主贴片和分形贴片均为方形，四个所述分形贴片分别位于主贴片的四个角上。

4.根据权利要求3所述的一种双频小型化背腔天线设计方法，其特征在于，沿所述一阶矩形分形缝隙结构的横中心线和纵中心线进行切分，保留主贴片左下角四分之一部分、左下角分型贴片以及左下角金属化通孔部分，得到四分之一模腔体。

5.根据权利要求4所述的一种双频小型化背腔天线设计方法，其特征在于，所述根据指标要求，调节所述四分之一模腔体的几何参数的具体步骤包括：

调节基板厚度，以使天线带宽和辐射效率满足指标要求。

6.根据权利要求5所述的一种双频小型化背腔天线设计方法，其特征在于，使用一阶Minkowski分形缝隙将波导矩形谐振腔顶部覆铜层刻蚀为一阶矩形分形缝隙结构。

7.根据权利要求6所述的一种双频小型化背腔天线设计方法，其特征在于，所述一阶矩形分形缝隙结构呈中心对称结构。